Considéré communément comme un élément sale et polluant, et acteur majeur dans le changement climatique de par son utilisation comme combustible fossile, le charbon est pourtant une ressource abondante dans de nombreux pays du monde. Face à la pression mondiale croissante pour l’utilisation de méthodes alternatives de production d’énergie, il est crucial de trouver des solutions pour réhabiliter le charbon et lui conférer une valeur économique importante.
Des efforts de recherche menés en collaboration par des scientifiques américains et taïwanais ont mis en évidence le rôle essentiel que le charbon pourrait jouer dans la prochaine génération de dispositifs électroniques. En exploitant le charbon via des processus spécialisés, il est possible de fabriquer des matériaux de haute pureté d’une épaisseur de seulement quelques atomes, capables de remplir plusieurs fonctions au sein des appareils.
Une étude publiée dans la revue « Communications Engineering » détaille cette collaboration entre des chercheurs de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, du National Energy Technology Laboratory, du Oak Ridge National Laboratory, et de leurs collègues de la société taïwanaise de fabrication de semi-conducteurs. Les chercheurs ont développé un processus qui transforme le charbon en nano-disques de carbone utilisés pour former des couches extra-finement adaptées à des applications dans les transistors et les mémoires bidimensionnelles, composants fondamentaux de l’électronique avancée.
Selon cette étude, « l’avantage principal de cette innovation est la création de ces isolants de taille atomique en utilisant les couches de carbone dérivées du charbon, permettant de construire des dispositifs électroniques plus petits, plus rapides et plus efficaces ».
Les couches atomiques fines de carbone favorisent un fonctionnement plus rapide et réduisent la consommation d’énergie par rapport aux matériaux traditionnels, grâce à leurs propriétés uniques. Elles manquent de structure cristalline régulière, ce qui empêche les fuites de courant électrique et réduit la consommation d’énergie supplémentaire pendant le fonctionnement de l’appareil. Ce cadre amorphe les distingue des autres matériaux atomiquement minces, renforçant leur adéquation aux applications électroniques.
La recherche a également exploré le rôle que les couches atomiques de carbone pourraient jouer dans la conception de « memristors », des composants électroniques capables de stocker et de traiter des données. Les chercheurs ont découvert que se fier à de très fines couches de carbone dérivées du charbon comme isolants améliore la précision et la fiabilité du stockage des données, une avancée cruciale dans la mise en œuvre de la technologie de l’intelligence artificielle.
Qing Cao, chercheur principal de l’étude, avec un membre de son équipe de recherche (Université de l’Illinois Urbana-Champaign)
De la théorie à la pratique
Si des études précédentes ont tenté d’explorer de nouvelles utilisations du charbon d’un point de vue théorique, la nouvelle étude en collaboration université-industrie fait un pas en avant en se concentrant sur la mise en œuvre pratique et décrit les étapes pour transformer le charbon en un matériau utile pour les appareils. Ces étapes comprennent :
- Préparation du charbon : où l’on obtient des résidus solides laissés après une combustion incomplète ou une pyrolyse du charbon. Ces résidus sont la matière première pour créer des matériaux à base de carbone.
- Formation de disques de carbone nanométriques : une procédure transforme ces résidus solides en minuscules disques de carbone, appelés « points de carbone ». Cette transformation implique des techniques spécialisées et des processus chimiques pour décomposer ces résidus en ces structures carbonées minuscules.
- Assemblage des points de carbone : ces points peuvent être assemblés ou connectés pour former des films minces atomiques, qui servent de base à la création de couches de carbone ultra-fines nécessaires pour les appareils électroniques.
- Formation d’isolants minces atomiques : les couches de carbone dérivées des résidus solides du charbon servent d’isolants atomiquement minces dans les dispositifs électroniques. Ces couches sont spécialement conçues pour contenir des structures atomiques irrégulières, permettant de fonctionner efficacement comme isolants dans la construction d’appareils bidimensionnels tels que les transistors et les memristors.
- Application dans les dispositifs électroniques : les couches de carbone sont intégrées dans la construction de transistors et de mémoires bidimensionnelles, utilisées dans les transistors comme portes isolantes pour un fonctionnement plus rapide de l’appareil et une consommation d’énergie réduite par rapport aux matériaux traditionnels. Dans les memristors, ces couches servent d’isolants qui facilitent la formation rapide de filaments, la réduction de la consommation d’énergie et l’amélioration de la fiabilité du stockage des données pour les applications d’intelligence artificielle.
L’électronique avancée basée sur le charbon pourrait changer la perception mondiale de ce dernier comme étant un produit sale et polluant pour l’environnement (Shutterstock)
3 conditions pour l’application industrielle
Malgré les réalisations de cette étude, ses résultats ne constituent que la preuve de principe pour l’utilisation des couches de carbone dérivées du charbon dans les appareils électroniques, indique Mohamed Farahat, professeur en ingénierie électronique à l’Université d’Assiout en Égypte, dans une interview téléphonique avec « Al Jazeera Net ».
Farahat précise que trois conditions importantes doivent être remplies pour développer un processus de fabrication adapté à la production industrielle à grande échelle :
- Premièrement – La possibilité d’augmentation et d’exécution industrielle : une idée peut être réussie en laboratoire mais échouer lorsqu’elle est mise en œuvre à l’échelle industrielle. Ainsi, le défi est de développer un processus de fabrication efficace en termes de coûts et compatible avec la production industrielle à grande échelle.
- Deuxièmement – Amélioration du processus : cela implique d’assurer la possibilité de reproduire les résultats obtenus en laboratoire concernant la viabilité des couches de carbone dérivées du charbon dans la construction de transistors et de memristors bidimensionnels lors de la transition vers le niveau industriel.
- Troisièmement – Compatibilité et intégration : il est essentiel de s’assurer que les isolants de carbone basés sur le charbon se fondent aisément dans les processus de fabrication de semi-conducteurs existants, la compatibilité avec d’autres matériaux et techniques utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs étant cruciale pour une application pratique.
Promesse de continuité pour concrétiser le rêve
L’étude ne détaille pas les étapes suivantes vers l’application industrielle, mais Qing Cao, le professeur du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign et chercheur principal de l’étude, a déclaré dans un communiqué de presse publié sur le site Web de l’université qu’ils ont produit des appareils fournissant la preuve de principe de l’utilisation de couches de carbone dérivées du charbon dans les dispositifs bidimensionnels, et ce qui reste à faire est de démontrer la possibilité de fabriquer de tels appareils à grande échelle.
Il a ajouté : « Nous sommes très intéressés par ce sujet et nous tenterons de tenir cette promesse dans les prochaines années. »